由SNAP电纺纤维膜制成的双层电纺材料能够差异性调节细胞生长从而改善血管损伤后修复

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心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)仍然是全球范围内主要的死亡原因。当血管的一部分由于疾病,损坏或老化而失去功能时,需要进行血管移植。由于异体器官的强烈排斥力和极少的来源,人造血管已成为一种选择。正常血管壁由三层组成:由内皮层组成的内膜,起到抗凝血的作用;主要由平滑肌细胞组成的中膜,起到血管舒缩张力和顺应性的作用,以及由疏松结缔组织组成的外膜。这种多层结构使血管具有了良好物理和机械性能与抗凝性能的完美结合。血管再狭窄主要由过度增生的平滑肌细胞(SMCs),炎症细胞和血小板相互作用形成。当前临床对于血管狭窄的治疗主要是通过抑制细胞增殖。以雷帕霉素和紫杉醇为代表,它们的抑制作用是非选择性的。药物可抑制平滑肌细胞的增殖,同时也抑制了血管内皮细胞(ECs)的增殖。该过程导致内皮化不完全。由内皮细胞组成的完整内膜层是维持血管健康和平滑血液流动的必要条件,内皮细胞的丧失会进一步加重狭窄。因此,理想的抗狭窄材料需要在确保内皮细胞功能的同时抑制平滑肌细胞的增殖和炎症的进展。一氧化氮(NO)使我们可以做到这种差异性调节细胞增殖的作用。NO是一种重要的生物效应物,在血管舒张,内皮功能和其他血管过程中起着重要作用。既往研究表明,NO可以强烈抑制平滑肌细胞增殖和血小板聚集,同时在低剂量时能够抑制内皮细胞凋亡。目前,临床上针对血管移植物通常采用由膨胀的聚四氟乙烯(e PTFE),聚酯(PET)或聚氨酯(PU)制成的基于单层聚合物,他们具有悠久的临床应用历史和丰富的临床使用经验。然而,所有这些聚合物对表面血栓形成的抵抗力有限,可能导致植入后血管内再狭窄。血管移植物的理想结构应与正常血管相似:一方面确保内皮细胞的完整性,另一方面又为多层平滑肌的生长提供空间。静电纺丝技术提供了制造这种结构的可能性。电纺丝技术是在高压静电作用下纺丝聚合物溶液的过程。电纺可以控制不同的材料成分来制备结构可控的纳米纤维。它可以在纤维直径,筛孔尺寸,孔隙率,纹理和图案形成等方面提供设计灵活性,为多功能结构材料的设计提供了许多可能性。一些研究已经使用由双层电纺膜制备的人造血管,通过控制不同的孔径或组合不同的细胞因子来控制不同类型细胞的生长选择性。然而,如何通过简单可行的方法实现双层血管中细胞的不对称生长仍然是一个重要的挑战。在这项研究中,我们使用S-亚硝基-N-乙酰基-DL-青霉胺(SNAP)作为NO供体,通过静电纺丝技术生产了SNAP负载的电纺膜。首先,我们制备了带有SNAP的单层膜,并验证了其对EC和SMC的差异生长调节,确认了SNAP的电纺膜仅作用于膜表面附近的细胞。然后,我们制备了一侧为SNAP,另一侧为空白膜的双面电纺膜。这种双层膜结构可以使细胞生长与天然血管结构更加一致:一侧保证内皮生长,同时抑制平滑肌细胞增殖和血小板聚集以防止血栓形成,而另一侧平滑肌细胞自然生长以形成血管弹性层。这种构建差异调节细胞行为的材料为心血管领域的应用提供了新的思路。第一部分电纺纤维膜的特性及生物相容性检测目的通过静电纺丝技术制备单层空白电纺膜,观察检测其性质特征,并检验其生物相容性;方法通过将聚L-丙交酯(PLLA)溶解在1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中制备电纺纤维膜;通过电子显微镜观察电纺膜厚度、纤维直径以及电纺结构的均匀性;并通过比较内皮细胞和平滑肌细胞在不同材料表面生长增殖的情况以及不同时间点两种细胞的生长情况,来评估电纺膜对细胞的相容性。结果电镜观察结果可见制备的电纺膜在大范围内显示均一性,通过细胞在不同材质表面生长状况可以看出电纺膜表面细胞生长水平虽略低于细胞培养板,但与玻璃片程度相当;无论是内皮细胞还是平滑肌细胞,均可以在电纺膜表面良好的附着并随着时间增加而逐渐生长增殖。结论电纺膜具有良好的生物相容性,可制备后待用以便后续实验。第二部分单层SNAP载药电纺纤维膜对内皮细胞及平滑肌细胞的差异性作用及对细胞功能的影响目的制备装有SNAP的单层载药电纺膜,评估其对内皮细胞和平滑肌细胞生长增殖的差异性作用以及对细胞功能、血管舒缩以及炎症方面的影响。方法通过将聚L-丙交酯(PLLA)溶解在1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中,PLLA溶液中含有10%wt的S-亚硝基-N-乙酰基-DL-青霉胺(SNAP),制备电纺纤维膜。通过电子显微镜对SNAP载药电纺膜进行硫元素分析;使用Griess法测定电纺膜NO释放曲线。使用CCK-8定量及共聚焦显微镜定性测定内皮细胞和平滑肌细胞在SNAP载药电纺膜表面单独培养和共培养的生长增殖情况;通过测定内皮细胞NO释放含量评估电纺膜对内皮细胞功能的影响;测定平滑肌细胞c GMP含量评估SNAP载药电纺膜对血管舒缩功能的影响;以及测定黏附分子、炎症因子等RNA水平来评估SNAP载药电纺膜对炎症程度的影响。结果SNAP载药电纺膜硫元素分布均匀,能够缓慢且连续地释放NO,并可以对内皮细胞和平滑肌细胞的增殖产生差异性影响:即抑制平滑肌细胞的同时不影响内皮细胞生长。同时,SNAP载药电纺膜能够改善内皮细胞功能、促进血管扩张以及不会对炎症产生影响。结论SNAP载药电纺膜能够差异性调节内皮细胞和平滑肌细胞的生长增殖行为。第三部分双层SNAP载药电纺纤维膜对内皮细胞及平滑肌细胞的差异性作用目的制备一面为空白膜另一面为SNAP的双层电纺膜,评估其对内皮细胞和平滑肌细胞生长增殖的差异性作用。方法通过将聚L-丙交酯(PLLA)溶解在1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中,其中一部分的PLLA溶液中含有10%wt的S-亚硝基-N-乙酰基-DL-青霉胺(SNAP),制备双层电纺纤维膜。通过电子显微镜对双层载药电纺膜横断面进行硫元素分析;使用Millieell小室分隔细胞与电纺膜来测定SNAP对远距离细胞的影响;使用共聚焦显微镜评估内皮细胞和平滑肌细胞在SNAP载药电纺膜表面共培养时生长增殖情况。结果SNAP仅影响负载药物的膜表面及附近的细胞。双层电纺纤维膜仅在负载SNPA的一侧对平滑肌细胞的增殖产生明显的抑制,空白的一侧平滑肌细胞能够正常生长并形成重叠的细胞层。结论双层载药电纺膜能够模仿天然血管层,在膜两侧对细胞增殖行为学提供差异性影响。
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